Nouvelle découverte « révolutionnaire » pour l’intelligence artificielle pilotée par la lumière

Dans un article intitulé « La cohérence partielle améliore le calcul photonique parallélisé », publié dans NatureDes chercheurs de l’Université d’Oxford, en collaboration avec des collaborateurs des Universités de Münster, Heidelberg et Gand, rapportent que le remplacement des lasers par des sources lumineuses moins complexes peut améliorer de manière surprenante les performances de certaines applications optiques, telles que les technologies d’IA basées sur la lumière.

Cette découverte ouvre la voie à l’utilisation de sources lumineuses moins chères et moins gourmandes en énergie dans des applications qui s’appuient généralement sur des lasers coûteux et de haute spécification.

Les propriétés d’une source lumineuse sont souvent caractérisées par une quantité que les physiciens appellent cohérence : le degré auquel les ondes lumineuses sont cohérentes entre elles dans le temps et dans l’espace. Les sources lumineuses à faible cohérence, comme le soleil et les ampoules électriques, émettent de la lumière dans une large gamme de couleurs (ou de longueurs d’onde).

En revanche, les sources lumineuses de haute qualité (comme les lasers) ont une gamme de longueurs d’onde très étroite et apparaissent généralement comme une seule couleur.

La capacité à concevoir et à utiliser une lumière hautement cohérente (lasers) est à la base d’applications modernes telles que les communications optiques, les technologies de télédétection par détection et télémétrie par ondes lumineuses (LiDAR) et les technologies d’imagerie médicale. Il était donc naturel de supposer que l’utilisation de sources de lumière plus cohérentes améliore les performances du système et les fonctionnalités des appareils, par exemple en permettant une résolution plus élevée et des mesures plus précises.

Cette nouvelle découverte remet en question cette idée reçue et révèle que les sources de lumière à faible cohérence peuvent en réalité mieux fonctionner dans des cas spécifiques, comme un accélérateur d’IA photonique, une technologie émergente dans laquelle des photons sont utilisés à la place des électrons pour effectuer des calculs d’IA.

L’équipe a utilisé une source de lumière partiellement cohérente en exploitant une partie étroite du spectre de lumière incohérente produite par un amplificateur à fibre dopée à l’erbium pompé électriquement (un dispositif utilisé dans la communication optique pour augmenter la force des signaux lumineux voyageant à travers les fibres optiques).

Cette lumière partiellement cohérente a été divisée et distribuée de manière uniforme dans différents canaux d’entrée pour un réseau de calcul d’IA parallèle. En utilisant une telle source lumineuse, le parallélisme du calcul d’IA est amélioré de manière surprenante de N fois dans un accélérateur photonique avec N canaux d’entrée.

À titre de test, l’équipe a utilisé ce système pour identifier les patients atteints de la maladie de Parkinson en analysant leur façon de marcher, obtenant ainsi une précision de classification de plus de 92 %.

L’équipe a également démontré comment un système simple utilisant une seule source de lumière partiellement cohérente avec neuf canaux d’entrée pouvait être utilisé pour effectuer des tâches d’IA à grande vitesse, à raison d’environ 100 milliards d’opérations par seconde. Normalement, une telle vitesse, équivalente à la lecture de plus de deux heures de vidéo 4K en une seconde, ne peut être atteinte que dans un accélérateur d’IA photonique cohérent avec plusieurs lasers cohérents distincts.

En fin de compte, l’élimination de la nécessité d’ajouter des sources lumineuses supplémentaires pourrait s’avérer transformatrice pour augmenter la puissance de calcul, comme l’explique le Dr Bowei Dong, premier auteur du département des matériaux de l’université d’Oxford : « L’avantage d’utiliser des sources lumineuses « moins bonnes » a un effet d’échelle. Vous pouvez exécuter vos modèles d’IA 100 fois plus rapidement qu’un système laser, si l’accélérateur photonique s’adapte à 100 canaux d’entrée. »

Le professeur Harish Bhaskaran, du département des matériaux de l’université d’Oxford et cofondateur de Salience Labs, qui a dirigé les travaux, a déclaré : « Bien que ces travaux mettent en valeur l’utilisation d’une telle lumière partiellement cohérente dans certains domaines émergents de l’informatique photonique, nous étudierons également à l’avenir si cette idée pourrait s’appliquer aux communications optiques, en particulier dans le domaine émergent des technologies d’interconnexion optique.

« Il s’agit d’un domaine de recherche qui évolue rapidement et qui offre de nombreuses perspectives scientifiques et techniques intéressantes à explorer. »